習(xí)慣上開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制方法探討及措施
一、開(kāi)關(guān)電源的概念
習(xí)慣上，高頻開(kāi)關(guān)整流AC-DC和DC-DC變換器被稱作開(kāi)關(guān)電源。由于其高工作頻率，帶來(lái)了設(shè)備的體積和重量的減小。由于開(kāi)關(guān)電源的變換效率高，能量損耗減少，降低了電源環(huán)境溫度，改善了工作人員的環(huán)境。工作性能的提高。相對(duì)于相控電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源不僅節(jié)省能源，也節(jié)省了材料和體積。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)、通信辦公設(shè)備、控制設(shè)備、電子儀器、電視、攝像機(jī)、電子游戲機(jī)等產(chǎn)品。在電腦、電子儀器和通信系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的開(kāi)關(guān)電源，在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，因具有輕、小、高效等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)的線性電源和相控電源，成為電子電源中的主流產(chǎn)品。
開(kāi)關(guān)電源發(fā)展中一個(gè)永恒的主題是實(shí)現(xiàn)電源的高頻率、高效率、小體積、低成本。高工作頻率，可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也是減少體積和重量的重要途徑；高效率，減少熱損耗，實(shí)現(xiàn)高功率密度；小體積，減少變壓器，電感和電容的體積，同時(shí)還要兼顧高可靠性和低成本。
二、開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生的機(jī)理和解決方案
1、紋波產(chǎn)生的機(jī)理
常規(guī)AC/DC，關(guān)電源的工作模式是把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟姡?jīng)高頻開(kāi)關(guān)變換由開(kāi)關(guān)變壓器隔離并升、降壓，經(jīng)高頻二極管整流濾波后以直流電輸出。開(kāi)關(guān)電源輸出紋波主要來(lái)源于五個(gè)方面：輸入低頻紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。
（1）低頻紋波
低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關(guān)。由于開(kāi)關(guān)電源體積的限制，電解電容的容量不可能無(wú)限制地增加，導(dǎo)致輸出低頻紋波的殘留，該輸出紋波頻率隨整流電路方式的不同而不同。
一般的開(kāi)關(guān)電源由AC / DC和DC / DC兩部分組成。AC / DC的基本結(jié)構(gòu)為整流濾波電路，它輸出的直流電壓中含有交流低頻紋波，其頻率為輸入交流電源頻率的二倍，幅值與電源輸出功率及濾波電容容量有關(guān)，一般控制在10%以內(nèi)。該交流紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開(kāi)關(guān)電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)的增益決定。例如：對(duì)普通24V電源來(lái)說(shuō)，電壓型控制DC/DC變換器的紋波抑制比一般為45～50dB，其輸出端的低頻交流紋波有效值為60～120mV。電流型控制DC / DC變換器的紋波抑制比稍有提高，但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的低紋波輸出，則必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施。可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC / DC變換器閉環(huán)增益來(lái)消除。
（2）高頻紋波
高頻紋波噪聲來(lái)源于高頻功率開(kāi)關(guān)變換電路，在電路中，通過(guò)功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)變換而后整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開(kāi)關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開(kāi)關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波的濾波要求。
（3）共模紋波噪聲
由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出端因此會(huì)產(chǎn)生共模紋波嗓聲。減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。
（4）超高頻諧振噪聲
超高頻諧振噪聲主要來(lái)源于高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，通過(guò)選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開(kāi)關(guān)管和減少布線長(zhǎng)度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。
（5）閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲
開(kāi)關(guān)電源都需對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的不適當(dāng)也會(huì)引起紋波。當(dāng)輸出端波動(dòng)時(shí)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒(méi)有固定的頻率。
2、抑制紋波的一般措施和方法
（1）低頻紋波的抑制
低頻紋波抑制的幾種常用的方法：
a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)，使低頻紋波降低到所需的指標(biāo)。
b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。
（2）高頻紋波的抑制
高頻紋波抑制的目的是給高頻紋波提供通路，常用的方法有以下幾種：
a、提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，有利于抑制輸出高頻紋波。
b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻紋波。
c、采用多級(jí)濾波。
（3）共模紋波噪聲的抑制
減小輸出共模紋波嗓聲的常用方法：
a.輸出采用專門(mén)設(shè)計(jì)的EMI濾波器
b.降低開(kāi)關(guān)毛刺幅度
（4）閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)不適當(dāng)引起的紋波抑制
在開(kāi)關(guān)直流電源中，往往因調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇不適當(dāng)會(huì)引起輸出紋波的增大，這部分紋波可通過(guò)以下方法進(jìn)行抑制。
a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大。
b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)過(guò)大有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過(guò)小的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加，所以調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。
c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，使延時(shí)滯后降到最小，以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出電壓紋波是有益的。
習(xí)慣上，高頻開(kāi)關(guān)整流AC-DC和DC-DC變換器被稱作開(kāi)關(guān)電源。由于其高工作頻率，帶來(lái)了設(shè)備的體積和重量的減小。由于開(kāi)關(guān)電源的變換效率高，能量損耗減少，降低了電源環(huán)境溫度，改善了工作人員的環(huán)境。工作性能的提高。相對(duì)于相控電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源不僅節(jié)省能源，也節(jié)省了材料和體積。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)、通信辦公設(shè)備、控制設(shè)備、電子儀器、電視、攝像機(jī)、電子游戲機(jī)等產(chǎn)品。在電腦、電子儀器和通信系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的開(kāi)關(guān)電源，在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，因具有輕、小、高效等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)的線性電源和相控電源，成為電子電源中的主流產(chǎn)品。
開(kāi)關(guān)電源發(fā)展中一個(gè)永恒的主題是實(shí)現(xiàn)電源的高頻率、高效率、小體積、低成本。高工作頻率，可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也是減少體積和重量的重要途徑；高效率，減少熱損耗，實(shí)現(xiàn)高功率密度；小體積，減少變壓器，電感和電容的體積，同時(shí)還要兼顧高可靠性和低成本。
二、開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生的機(jī)理和解決方案
1、紋波產(chǎn)生的機(jī)理
常規(guī)AC/DC，關(guān)電源的工作模式是把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟姡?jīng)高頻開(kāi)關(guān)變換由開(kāi)關(guān)變壓器隔離并升、降壓，經(jīng)高頻二極管整流濾波后以直流電輸出。開(kāi)關(guān)電源輸出紋波主要來(lái)源于五個(gè)方面：輸入低頻紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。
（1）低頻紋波
低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關(guān)。由于開(kāi)關(guān)電源體積的限制，電解電容的容量不可能無(wú)限制地增加，導(dǎo)致輸出低頻紋波的殘留，該輸出紋波頻率隨整流電路方式的不同而不同。
一般的開(kāi)關(guān)電源由AC / DC和DC / DC兩部分組成。AC / DC的基本結(jié)構(gòu)為整流濾波電路，它輸出的直流電壓中含有交流低頻紋波，其頻率為輸入交流電源頻率的二倍，幅值與電源輸出功率及濾波電容容量有關(guān)，一般控制在10%以內(nèi)。該交流紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開(kāi)關(guān)電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)的增益決定。例如：對(duì)普通24V電源來(lái)說(shuō)，電壓型控制DC/DC變換器的紋波抑制比一般為45～50dB，其輸出端的低頻交流紋波有效值為60～120mV。電流型控制DC / DC變換器的紋波抑制比稍有提高，但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的低紋波輸出，則必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施。可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC / DC變換器閉環(huán)增益來(lái)消除。
（2）高頻紋波
高頻紋波噪聲來(lái)源于高頻功率開(kāi)關(guān)變換電路，在電路中，通過(guò)功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)變換而后整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開(kāi)關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開(kāi)關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波的濾波要求。
（3）共模紋波噪聲
由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出端因此會(huì)產(chǎn)生共模紋波嗓聲。減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。
（4）超高頻諧振噪聲
超高頻諧振噪聲主要來(lái)源于高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，通過(guò)選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開(kāi)關(guān)管和減少布線長(zhǎng)度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。
（5）閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲
開(kāi)關(guān)電源都需對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的不適當(dāng)也會(huì)引起紋波。當(dāng)輸出端波動(dòng)時(shí)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒(méi)有固定的頻率。
2、抑制紋波的一般措施和方法
（1）低頻紋波的抑制
低頻紋波抑制的幾種常用的方法：
a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)，使低頻紋波降低到所需的指標(biāo)。
b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。
（2）高頻紋波的抑制
高頻紋波抑制的目的是給高頻紋波提供通路，常用的方法有以下幾種：
a、提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，有利于抑制輸出高頻紋波。
b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻紋波。
c、采用多級(jí)濾波。
（3）共模紋波噪聲的抑制
減小輸出共模紋波嗓聲的常用方法：
a.輸出采用專門(mén)設(shè)計(jì)的EMI濾波器
b.降低開(kāi)關(guān)毛刺幅度
（4）閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)不適當(dāng)引起的紋波抑制
在開(kāi)關(guān)直流電源中，往往因調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇不適當(dāng)會(huì)引起輸出紋波的增大，這部分紋波可通過(guò)以下方法進(jìn)行抑制。
a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大。
b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)過(guò)大有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過(guò)小的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加，所以調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。
c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，使延時(shí)滯后降到最小，以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出電壓紋波是有益的。
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